藍橋杯微控制器 超聲波模組和PCA模組
藍橋杯微控制器 超聲波模組和PCA模組
原理
超聲波測量的原理
超聲波由一個超聲波模組向前方發出，並在空氣中傳播，在遇到障礙物時發生反射，再被另一個超聲波模組接收。微控制器用定時器測量超聲波從發出到接收的時長，再根據聲速，即可算出超聲波模組到障礙物之間的距離。公式：距離=（聲速 × Δ時間）÷2 。若距離單位為釐米，時間單位為微秒，距離公式為距離=Δ時間 x 0.017。
另外，對距離進行微分等其他數學運算，還可以得到速度等其他測量值。測速公式：速度= （本次測量距離 - 上次測量距離 ）÷兩次測量時間間隔。
以CT107D競賽板為例，控制微控制器在P10輸出一段38~41kHz的方波，八個週期，發射模組就會產生一段超聲波。當接收模組接收到超聲波，則會在P11產生一個下降沿。需測量超聲波發出後，到下降沿產生之間的時間長度。下圖為示波器測量的P10 P11的波形圖。
PCA模組的原理
目前藍橋杯微控制器MCU型號為IAP15F2K61S2，它有一個PCA模組可以用來實現定時、測量脈寬、PWM等功能。在使用PCA模組時，注意載入STC15F2K60S2.H的標頭檔案來定義特殊功能暫存器。
使用PCA模組驅動超聲波的優點就在於，它由硬體控制計時，並可以自動捕獲電平的變化，裝載計數的值同時產生中斷。CPU可以在控制發射超聲波後，空閒出來進行數碼管顯示等其他任務。
關於PCA定時器的計數頻率，可以選擇SYSclk/12，這樣時間單位才為微秒，因此CMOD暫存器應該設定為0x01（不要以圖示給出的順序配置CPSn位，請參考資料手冊關於CMOD的說明，來配置暫存器）。
對於超聲波模組對應的P11引腳，要使PCA工作在下降沿捕獲模式，須將CAPN0置位，將CAPP0清零。傳送超聲波後，先將陣列暫存器(CL CH)和中斷標誌(CCF0 CF)清零，再開啟PCA模組計時及其中斷。當P11產生下降沿時，陣列暫存器(CL和CH)的值裝載到模組的捕獲暫存器(CCAP0L和CCAP0H)中，併產生中斷。
中斷處理時要判斷是下降沿捕獲（CCF0==1）還是定時器溢位（CF==1），注意清零中斷標誌、關閉PCA定時器及其中斷標誌。
程式碼
PCA定時器的範例程式
從STC-ISP上可以直接獲取PCA定時器的範例程式，在“範例程式 > STC15Fxx/STC15Lxx/STC15Wxx Series > PCA的16位捕獲測量脈寬 > C”。或從STC15系列微控制器使用者手冊，第11章11.9節獲得範例程式。
選手可在比賽中參考該程式碼，編寫超聲波驅動。範例程式如下。
/*---------------------------------------------------------------------*/
/* --- STC MCU Limited ------------------------------------------------*/
/* --- STC15F4K60S4 系列 PCA實現16位捕獲舉例---------------------------*/
/* --- Mobile: (86)13922805190 ----------------------------------------*/
/* --- Fax: 86-0513-55012956,55012947,55012969 ------------------------*/
/* --- Tel: 86-0513-55012928,55012929,55012966-------------------------*/
/* --- Web: www.STCMCU.com --------------------------------------------*/
/* --- Web: www.GXWMCU.com --------------------------------------------*/
/* 如果要在程式中使用此程式碼,請在程式中註明使用了STC的資料及程式 */
/* 如果要在文章中應用此程式碼,請在文章中註明使用了STC的資料及程式 */
/*---------------------------------------------------------------------*/
//本示例在Keil開發環境下請選擇Intel的8058晶片型號進行編譯
//若無特別說明,工作頻率一般為11.0592MHz
#include "reg51.h"
#include "intrins.h"
#define FOSC 11059200L
typedef unsigned char BYTE;
typedef unsigned int WORD;
typedef unsigned long DWORD;
sfr P0M1 = 0x93;
sfr P0M0 = 0x94;
sfr P1M1 = 0x91;
sfr P1M0 = 0x92;
sfr P2M1 = 0x95;
sfr P2M0 = 0x96;
sfr P3M1 = 0xb1;
sfr P3M0 = 0xb2;
sfr P4M1 = 0xb3;
sfr P4M0 = 0xb4;
sfr P5M1 = 0xC9;
sfr P5M0 = 0xCA;
sfr P6M1 = 0xCB;
sfr P6M0 = 0xCC;
sfr P7M1 = 0xE1;
sfr P7M0 = 0xE2;
sfr P_SW1 = 0xA2; //外設功能切換暫存器1
#define CCP_S0 0x10 //P_SW1.4
#define CCP_S1 0x20 //P_SW1.5
sfr CCON = 0xD8; //PCA控制暫存器
sbit CCF0 = CCON^0; //PCA模組0中斷標誌
sbit CCF1 = CCON^1; //PCA模組1中斷標誌
sbit CR = CCON^6; //PCA定時器執行控制位
sbit CF = CCON^7; //PCA定時器溢位標誌
sfr CMOD = 0xD9; //PCA模式暫存器
sfr CL = 0xE9; //PCA定時器低位元組
sfr CH = 0xF9; //PCA定時器高位元組
sfr CCAPM0 = 0xDA; //PCA模組0模式暫存器
sfr CCAP0L = 0xEA; //PCA模組0捕獲暫存器 LOW
sfr CCAP0H = 0xFA; //PCA模組0捕獲暫存器 HIGH
sfr CCAPM1 = 0xDB; //PCA模組1模式暫存器
sfr CCAP1L = 0xEB; //PCA模組1捕獲暫存器 LOW
sfr CCAP1H = 0xFB; //PCA模組1捕獲暫存器 HIGH
sfr CCAPM2 = 0xDC; //PCA模組2模式暫存器
sfr CCAP2L = 0xEC; //PCA模組2捕獲暫存器 LOW
sfr CCAP2H = 0xFC; //PCA模組2捕獲暫存器 HIGH
sfr PCA_PWM0 = 0xf2; //PCA模組0的PWM暫存器
sfr PCA_PWM1 = 0xf3; //PCA模組1的PWM暫存器
sfr PCA_PWM2 = 0xf4; //PCA模組2的PWM暫存器
BYTE cnt; //儲存PCA計時溢位次數
DWORD count0; //記錄上一次的捕獲值
DWORD count1; //記錄本次的捕獲值
DWORD length; //儲存訊號的時間長度(count1 - count0)
void main()
{
P0M0 = 0x00;
P0M1 = 0x00;
P1M0 = 0x00;
P1M1 = 0x00;
P2M0 = 0x00;
P2M1 = 0x00;
P3M0 = 0x00;
P3M1 = 0x00;
P4M0 = 0x00;
P4M1 = 0x00;
P5M0 = 0x00;
P5M1 = 0x00;
P6M0 = 0x00;
P6M1 = 0x00;
P7M0 = 0x00;
P7M1 = 0x00;
ACC = P_SW1;
ACC &= ~(CCP_S0 | CCP_S1); //CCP_S0=0 CCP_S1=0
P_SW1 = ACC; //(P1.2/ECI, P1.1/CCP0, P1.0/CCP1, P3.7/CCP2)
// ACC = P_SW1;
// ACC &= ~(CCP_S0 | CCP_S1); //CCP_S0=1 CCP_S1=0
// ACC |= CCP_S0; //(P3.4/ECI_2, P3.5/CCP0_2, P3.6/CCP1_2, P3.7/CCP2_2)
// P_SW1 = ACC;
//
// ACC = P_SW1;
// ACC &= ~(CCP_S0 | CCP_S1); //CCP_S0=0 CCP_S1=1
// ACC |= CCP_S1; //(P2.4/ECI_3, P2.5/CCP0_3, P2.6/CCP1_3, P2.7/CCP2_3)
// P_SW1 = ACC;
CCON = 0; //初始化PCA控制暫存器
//PCA定時器停止
//清除CF標誌
//清除模組中斷標誌
CL = 0; //復位PCA暫存器
CH = 0;
CCAP0L = 0;
CCAP0H = 0;
CMOD = 0x09; //設定PCA時鐘源為系統時鐘,且使能PCA計時溢位中斷
CCAPM0 = 0x21; //PCA模組0為16位捕獲模式(上升沿捕獲,可測從高電平開始的整個週期),且產生捕獲中斷
// CCAPM0 = 0x11; //PCA模組0為16位捕獲模式(下降沿捕獲,可測從低電平開始的整個週期),且產生捕獲中斷
// CCAPM0 = 0x31; //PCA模組0為16位捕獲模式(上升沿/下降沿捕獲,可測高電平或者低電平寬度),且產生捕獲中斷
CR = 1; //PCA定時器開始工作
EA = 1;
cnt = 0;
count0 = 0;
count1 = 0;
while (1);
}
void PCA_isr() interrupt 7
{
if (CCF0)
{
CCF0 = 0;
if (CF && ((CCAP0H & 0x80) == 0))
{
CF = 0;
cnt++;
}
count0 = count1; //備份上一次的捕獲值
((BYTE *)&count1)[3] = CCAP0L; //儲存本次的捕獲值
((BYTE *)&count1)[2] = CCAP0H;
((BYTE *)&count1)[1] = cnt;
((BYTE *)&count1)[0] = 0;
length = count1 - count0; //計算兩次捕獲的差值,即得到時間長度
((BYTE *)&length)[0] = 0;
}
if (CF)
{
CF = 0;
cnt++; //PCA計時溢位次數+1
}
}
超聲波測量的參考程式碼
對上述範例程式進行改寫，同時還須參照資料手冊配置暫存器。
實際測試達到了270cm，與感測器的精度有關。
#include <STC15F2K60S2.H>
#include <intrins.h>
#ifndef u8
#define u8 unsigned char
#endif
#ifndef u16
#define u16 unsigned int
#endif
#ifndef u32
#define u32 unsigned long
#endif
//定義超聲波模組引腳
sbit Trig = P1^0; //傳送端
sbit Echo = P1^1; //接收端
u8 code font[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
u8 code y4=0x80,y5=0xa0,y6=0xc0,y7=0xe0;
u8 dis[8]={0xc7,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff};
bit trig_sign=1,echo_sign=0,time_out_sign=0;
u16 trig_cnt=1000;
u16 len,len_t;
void PCA_init();
void trig_len();
void echo_len();
void dis_smg();
/********************延時函式********************/
void delay100us() //@12.000MHz
{
unsigned char i, j;
i = 2;
j = 39;
do
{
while (--j);
} while (--i);
}
void delay12us() //@12.000MHz
{
unsigned char i;
_nop_();
_nop_();
i = 33;
while (--i);
}
/********************初始化函式******************/
void PCA_init(){
P_SW1 &= 0xcf; //(P1.2/ECI, P1.1/CCP0, P1.0/CCP1, P3.7/CCP2)
CCON = 0; //初始化PCA控制暫存器
//PCA定時器停止
//清除溢位中斷標誌
//清除捕獲中斷標誌
CL = 0; //清零陣列暫存器
CH = 0;
CMOD = 0x01; //設定PCA時鐘源為SYSclk/12,允許溢位中斷
CCAPM0 = 0x10; //PCA模組0為下降沿觸發,關閉中斷。
}
void Timer0Init(void) //1毫秒@12.000MHz
{
AUXR &= 0x7F; //定時器時鐘12T模式
TMOD &= 0xF0; //設定定時器模式
TL0 = 0x18; //設定定時初值
TH0 = 0xFC; //設定定時初值
TF0 = 0; //清除中斷標誌
TR0 = 1; //定時器0開始計時
ET0 = 1; //使能定時器0中斷
}
/****************中斷處理函式********************/
void PCA_isr() interrupt 7 //PCA中斷處理函式
{
//捕獲成功
if (CCF0){
len_t = (CCAP0H<<8)|CCAP0L; //儲存本次的捕獲值
echo_sign = 1;
CR = 0; //PCA定時器停止工作
CCAPM0 &= 0xfe; //關閉中斷
}
//超時
else if (CF){
time_out_sign = 1;
CR = 0; //PCA定時器停止工作
CCAPM0 &= 0xfe; //關閉中斷
}
CCF0 = 0; //清理中斷標誌
CF = 0;
}
void T0_isr() interrupt 1 //T0中斷處理函式，每1000ms發射一次超聲波
{
if(--trig_cnt == 0) {
trig_cnt = 1000;
trig_sign = 1;
}
}
/*********************主函式*********************/
void main() {
Trig = 0;
Timer0Init();
PCA_init();
EA = 1;
while(1) {
dis_smg();
if(trig_sign) trig_len();
if(echo_sign | time_out_sign) echo_len();
}
}
/*************************************************
*函式：trig_len()
*功能：發射超聲波，開啟PCA計時及中斷
*************************************************/
void trig_len() {
u8 i=8;
//產生八個週期7kHz方波訊號
while(i--){
Trig = 1;
delay12us();
Trig = 0;
delay12us();
}
CL = 0; //計時器清零
CH = 0;
CCF0 = 0; //清標誌(開啟前必須清標誌)
CF = 0;
CCAPM0 |= 0x01; //開啟中斷
CR = 1; //PCA定時器開始工作
trig_sign = 0;
}
/*************************************************
*函式：echo_len()
*功能：計算距離，產生數碼管字模
*************************************************/
void echo_len() {
u8 i;
if(echo_sign){
//計算距離
len=len_t *0.017 *10; //保留1位小數
//生成字模
dis[3]=font[len/10000];
dis[4]=font[len/1000%10];
dis[5]=font[len/100%10];
dis[6]=font[len/10%10]&0x7f;
dis[7]=font[len%10];
//消零
for(i=3;dis[i]==font[0];i++) dis[i]=0xff;
}else if(time_out_sign){
//超時設定
len=9999;
dis[3]=font[9];
dis[4]=font[9];
dis[5]=font[9];
dis[6]=font[9]&0x7f;
dis[7]=font[9];
}
time_out_sign = 0;
echo_sign = 0;
}
/*************************************************
*函式：dis_smg()
*功能：數碼管顯示函式
*************************************************/
void dis_smg() {
u8 i;
for(i=0;i<8;i++){
P2&=0x1f;
P0=1<<i;
P2|=y6;
P2&=0x1f;
P0=dis[i];
P2|=y7;
delay100us();
P0=0xff;
}
}
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